JPH0362001A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光学装置に関し、詳しくは、コンタクトレン
ズ等の眼球内に用いるのに適したものであって、多焦点
イメージを設けるために少数のゾーンに依存するコーヘ
ン（Ｃｏｈｅｎ）による設計の位相ゾーン板を用いた光
学装置に関する。

従来の技術及び発明が解決しようとする課題屈折作用と
回折作用とは、光学的特性を特徴づける上で参照される
作用である。回折作用は光の伝播に関係している。一般
に、アパーチャ（ａｐｅｒｔｕｒｅレンズロ径）を通る
光の伝播の現像を説明するのに、回折作用についての理
論か役立っている。

この場合、アパーチャは、それ自体の境界で定まる空間
的部位と見ることもできるし、或いは、入射光を選択的
に遅延させるべく、厚みと屈折率の何れか一方、又は、
両方が変化する光学材料の部位と見ることもできる。何
れにしても、その様なアパーチャを光が通過すると、そ
の時「回折作用」が起こると言われている。

光がアパーチャを通過すると、空間上の一点で光が集中
乃至焦点を結ぶことがある。その−点は焦点と呼ばれる
ものであって、該焦点をスネルの注量として知られてい
る一次方程式を用いて算出できる状況群が存在する。こ
の様な特殊な状況は、アパーチャに含まれている光学材
料が非常に緩やカニ、かつ、円滑に変化し、アパーチャ
の寸法が大きくなったときにみられる。それが全て実際
に起こるのであれば、光とは、「屈折作用」と呼ばれる
回折作用の特殊な現像により伝播されるものと、特徴づ
けることができる。

しかし、この様な状況はありふれたものであるから、上
記した屈折は完全な理論と見られることが多い。ところ
が、レンズに鋭い刻み目があると、アパーチャに含まれ
ている光学材料は「円滑に変化する」という条件を満た
さなくなり、光の伝播を確かめるには、「回折作用」に
ついての一般的な理論を借りる必要が生じてくる。

ここでの「屈折」ないし「屈折作用」なる用語は、アパ
ーチャの内部構造が円滑に変化している場合について用
いるものとする。また、「回折」ないし「回折作用」な
る用語は、アパーチャの内部構造が鋭い境界を有し、か
つ、光路長が急変化する場合について用いるものとする
。

しかし、単純な場合でも、屈折作用の理論を用いただけ
では得られない正確な解決法を得るために、回折作用の
理論を用いる。

レンズの働きについては、回折作用に関係のある法Ｆｉ
１１を以て説明することができるが、屈折作用に関係の
ある法則では、キャリア・レンズにおける位相ゾーン板
の働きを説明することはできない。

尚、本願明細書において用いる「位相ゾーン板」なる用
語は、ゾーンにおけるゾーン板と光学局面との組み合わ
せを利用するレンズの光学的な単位部域を意味し、前述
の組み合わせにより光が回折して、ゾーン板の複数の次
数（例えば、０次、１次など）焦点において、特定の光
度分布をもたらす先の波面が生成される。

コーヘン特許（米国特許第４，２１０，３９１号、同第
４．３３８，００５号、同第４．３４０，２８３号を総
称したもの）は、キャリア・レンズの光学ゾーンにおい
て、位相ゾーン板を用いて多焦点効果を生じるようにさ
れたものである。有用な多焦点効果を狙ってキャリア・
レンズの光学ゾーンに位相ゾーン板を用いるレンズは、
本願明細書及びその特許請求範囲において、「コーヘン
設計型（レンズ）」と称することにする。このツーヘン
設計型レンズ、即ち、コーヘンの設計によるレンズの光
学特性とその有用性については、回折作用に関係のある
法則及び規則を以て説明する。

クーヘン設計型レンズでは、同心円ゾーンを有する位相
ゾーン板を用いており、この同心円ゾーンの半径ｒ、は
、Ｊ「と実質的に比例していると共に、複数の焦点に向
かって光を指向あるいは発散するようにゾーンがカット
されている。Ｊ「は同心円ゾーンの間隔を意味し、この
間隔は、回折作用に特有なものであって、屈折レンズに
は見られないものである。

多焦点イメージを発生する位相ゾーン板はレンズの一種
であって、拡大像や縮小像を得るためには、キャリア・
レンズとは別に用いられるものである。この位相ゾーン
板をキャリア・レンズに設け、キャリア・レンズの光学
ゾーン部域の大部分を占有すれば、レンズ装置により作
り出された複合イメージの相対明るさが制御されること
になる。

また、キャリア・レンズ装置の光学ゾーン部域の大部分
を占有するような位相ゾーン板は、特定の焦点における
イメージの画質と様相とを向上させる働きがある。従っ
て、位相ゾーン板は、多焦点位相ゾーン板に固有の効率
損失をもたらす種々の次数における光の強度を減少させ
ることができること、種々の次数において色彩の分散を
制御できること、それに、種々の焦点により明らかにな
っているように種々の次数に亙って透過光を制御するこ
とができることから、有用なものである。例えば、散光
レンズや、収束レンズ、平レンズなどは、透過光の像を
拡大したり、縮小したりする作用をなすが、位相ゾーン
板は、種々の焦点における光の相対強度を制御する作用
をなすことから、高次数において焦点を形成する。この
ことは、設計波長に応じた深さを有するパラボラ形状の
エシュレット格子（ｒ！室空間リニア輪郭を描くことを
意味する。）を６に応じたゾーン間隔を有するフレネル
ゾーン板である位相ゾーン板に用いるレンズ装置により
、簡単に説明されるところである。

尚、上記設計波長に応じた深さを有するニッシュレット
格子とは、例えば、設計波長が５５５ナノメータの黄色
光に設定されていると、エシュレット格子の物理深さ、
即ち、光路長は、関係式１式％） （η竿ｌ、４３、ηΣ１．３３、λは設計波長、即ち、
黄色光） に従って約０．００５５５ミリとなる。

この位相ゾーン板は、レンズ本体のキャリア・パワー（
ｃａｒｒｉｅｒ　ｐｏｗｅｒ）が散光性、収束性あるい
は平行性に関係なく、設計波長にあっては単焦点レンズ
装置であって、設計波長の光を光学ゾーンの長手軸に沿
って１次数焦点に集める作用をなす。

このことは、該レンズ装置の使用者は近くの物体を見る
ことしかできず、たとえ屈折作用に利用されている関係
式に従って作用する平滑レンズ装置のキャリア・パワー
が、遠方の物体を視覚的に具像化できる程のものであっ
ても、遠方の物体を見ることができなくなる。位相ゾー
ン板は、光を近くの焦点に偏向させることにより、光を
指向させる働きをする。このレンズの構造は、位相ゾー
ン板の支持体に適するようになっている。この場合、位
相ゾーン仮は、光が透過する方向を定めるようになって
いると共に、種々の焦点次数におｌ、）ての視覚的正確
性を決定している。また、光が０次数に伝わるようにな
っているコーヘン設計型の二点点レンズにあっては、位
相ゾーン板は、設計波長以外の０次数波長において色彩
度を決定する。０次数におけるイメージそれ自体は変わ
らないが、位相ゾーン板の影響を受ける。光学ゾーンに
位相ゾーン板を用いたレンズにおける０次数の位置が何
処にあろうとも、０次数に向かっている光は全て位相ゾ
ーン板を透過し、回折光となる。

前述の説明から、平滑な光学ゾーンは光を１つだけの焦
点パワー、即ち、０次数にのみ光を指向させるが、回折
作用を利用した位相ゾーン板式光学ゾーンは、それも１
つだけの焦点パワーであるものの、１次数に光を指向さ
せるのは明かである。

光を１次数に偏向させるのは、この場合にあっては、回
折作用の方向性パワーが大いに働いてしするからである
。コーヘン設計型のレンズは、複数の焦点パワーに光を
指向させるのに回折作用を利用している点でユニークな
ものである。換言すれば、コーヘン設計型のレンズでは
、（ｉ）適当な設計パラメータに応じて厚みを変えるべ
く位相ゾーン板をカットするか、叉は、（ｉｉ）位相ゾ
ーン板のゾーンにおけるレンズ本体の屈折率を変えるこ
とにより、位相シフトを利用して複数の焦点パワーに光
を指向させている。ゾーンの傾斜角を変えると、透過光
、従って、位相シフトを変えることができる。

ある実施例におけるコーヘン設計型のレンズでは、多焦
点効果を得るために、奇数ゾーンと偶数ゾーンと呼ばれ
る交互あると共に傾斜した半周期ゾーンを利用している
。この様な各ゾーンは、内側への傾斜角によって、キャ
リア・レンズの厚みを減少している。この種の傾斜によ
り、レンズを透過する光の位相が可変関係を以て光学的
にシフトされる。即ち、位相シフトの変化が著しければ
著しいほど、より多くの光が高次数に指向される、即ち
、偏向されるのである。傾斜角が比較的小さければ、位
相シフトの変化も小さく、透過光の多くがレンズ面から
低次数焦点へと指向されるようになる。複数の焦点パワ
ーへと回折光を指向させるのは、傾斜角が変化すること
と、その傾斜の輪郭によるところが大きい。

コーヘン設計型のレンズは、位相シフトを制御するのに
、レンズ面のレリーフの輪郭を変える以外に、レンズの
表面にある材料を埋設すれば、屈折率を変えることがで
きることをも示している。

コーヘン設計型のレンズにおける傾斜ゾーンは、五間隔
を用いている点を省けば、１９６１年１０月１７日に特
許付与された米国特許第３，００４．４７０号に開示さ
れているフレスネルゾーンの原理を利用している。この
米国特許によれば、フレスネルレンズにおける階段形パ
ラボラ状ゾーンは、レンズ面が対ごとに階段形傾斜した
レンズを平滑にしたものに他ならない。

コーヘン設計型の多焦点位相ゾーン板は、奇数ゾーンと
偶数ゾーンとが交互しているので、透過光の位相をシフ
トすべく光路長が変化するようになっている。このゾー
ンは、全周期ゾーンにあってら良いし、叉は、複数の半
周期ゾーンを利用することにより見いだされる。全周期
ゾーンは、位相ゾーン板において、ｋにほぼ比例して隔
離されているファセットの最小の繰り返しシーケンスに
より定められる。その場合でのファセットの間隔は、下
記の式で表される。

ｒ１石１１７ 但し、ｄは！次点点距離を表し、λは設計波長を表す。

本発明における半周期ゾーンは、下記の式で表される。

１Ｆ７７ 位相ゾーン板における全周期ゾーンは、半周期間隔を有
する一対の交互するゾーンからなるものとして知られて
いる。全周期ゾーンは、非連続のブレーズ（鋸歯状の断
面を持った溝）ないし連続したブレーズを有している。

全周期の非連続なブレーズは通常半周期で非連続性とな
る独立輪郭を構成し、かつ、全周期の連続ブレーズは、
ステップ状の形状をとる、非連続性がない独立輪郭を構
成している。即ち、全周期の幅に亙って連続している。

全周期ゾーンの各半周期ゾーンは、設計波長の入射光の
位相か別々にシフトされるほど異なっているから、各ゾ
ーンは光を複数の焦点に指向ないし偏向させるのに必要
な成分を生ずるようになる。

ｌ９８７年１１月３日に特許付与された米国特許第４，
７０４，０１６号の記録包帯によれば、下記の事柄が指
摘されている。

「フレスネルゾーン板、即ち、フレスネルゾーンレンズ
は、隣接したゾーンが、半周期だけ位相が互いにずれた
光を透過させるので、交互するゾーンが暗くなると、板
乃至レンズを通過してゾーン板から離れたところの一点
に到達する光は、致命的な光の干渉がないのでゾーン板
がない場合に比べて一層明るくなる、との原理に基づい
て作用するものである。これが達成されるために、ゾー
ンを定めている半径が、近似して とに等しいことが数理的に明らかになっている。

（但し、「はゾーン板の焦点距離であり、ｎは０．１，
２．３．４、・・・・であり、また、λは設計波長を表
す。）例えば眼鏡用レンズでは典型的なパワーである５
ジオプターのパワーを有するゾーン板の場合、第１ゾー
ンの大きさは０．３ミリ程度であり、第８ゾーンの幅は
百分の数ミリ程度である。

ゾーン板が結像するイメージのシャープさから見た効率
は、ゾーンの数に応じて増加するから、まともな光学特
性を得るには、ゾーンの数が大きい板、即ち、レンズが
望まれている。」 Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ＢＣＬＡ　Ｃｏｎｒｅｒｅｎ
ｃｅ　１９８７の第１５頁におけるフリーマン（Ｆｒｅ
ｅｍａｎ）とストーン（Ｓｔｏｎｅ）とによる論文では
、＋１ジオプターにつき全周期ゾーンを６個利用してい
る。これでは、半周期ゾーンが１２個必要になる。

従って、一部の当業者の間では、コーヘン設計型のレン
ズでは、シャープなイメージを得るには相当数のゾーン
が必要であると、認識されている。

しかし、二焦点レンズに多数のゾーンを要するようなレ
ンズは実用的なものではなく、非常に多くの眼鏡使用者
がコーヘン設計型のコンタクトレンズや眼内レンズの恩
恵を受けることは出来ない。

眼の状態は多様であり、固有の眼に合わせようとすれば
、コーヘン設計型の位相ゾーン板の設計を変える必要が
ある。例えば、白内障患者は老年者に多く、従って、そ
の患者の瞳は小さくなっている。その様な場合、白内障
患者の眼の治療には、眼内レンズ（ＩＯＬ）の内植が行
われている。その際、ｒＯＬを用いるにしても、二焦点
位相ゾーン板を有するＩＯＬを用いるのが望ましい場合
がある。

老年性白内障患者の瞳は小さくなっているから、位相ゾ
ーン板は、瞳径に合わせて非常に小さなアパーチャで作
用するものでなければならない。また、眼内に位相ゾー
ン板ＩＯＬを内植するのであるから、アパーチャ径（ア
パーチャ・ストップ）は見かけ上の瞳径の約８５％に減
少される。従って、位相ゾーン板は、見かけ上の瞳径の
８５％にすぎない虹彩の大きさよりも小さい領域で作用
するものでなければならなくなる。

従来、白内障患者にみられる瞳径の減少を補償するため
に、小さい光学ゾーンに有効な数の不連続性を持たせる
ことにより、瞳径の減少に伴う問題点を解消する二焦点
コンタクトレンズやＩＯＬ光学装置が望まれている。

課題を解決するための手段 従って、本発明は、コーヘン式レンズであって、白内障
患者にみられる小さい瞳径を補償する位相ゾーン板を用
いることにより、ＩＯＬ或いはコンタクトレンズとして
ｆす用できる二焦点レンズを提供するに際しての問題点
を解消すべくなされたものである。

本発明は、位相ゾーン板の単一の全周期ゾーンを用いて
も可能で、少なくとも二つの別々の焦点に光を分光する
ブレーズ・ファセットを有する環状同心ゾーンを備えた
位相ゾーン板からなる光学素子を提供するのを目的とし
たものである。

また、ゾーン間の間隔が√ｋにほぼ比例し、奇数ゾーン
が、偶数面の光路長（深さ）の半分の光路長（深さ）を
有するブレーズ面を備え、かつ、奇数半径において非連
続ジャンプを有する輪郭を呈している環状同心ゾーンを
備えた位相ゾーン板からなる回折型二焦点光学素子を提
供するものである。

本発明によるレンズ装置は多焦点型位相ゾーン板で構成
されており、一つの全周期ゾーン程度に小さいアパーチ
ャ径（アパーチャ・ストップ）を用いても、二つ或いは
それ以上の焦点を有するものである。位相ゾーン板は、
下記の式で表される間隔だけ互いに隔離された複数の環
状同心ゾーンからなるブレーズ面を備えている。

「塾−Ｅ−石下丁Ｔ 但し、ｋはゾーンであって、コーヘンによるレンズの設
計に従ってゾーンが位相ゾーン板の中心軸からその外周
に展開するにつれて、１．２．３、・・・・に等しい。

この式におけるｒ、は、半周期ゾーンの半径であって、
このゾーンとゾーン半径とは、ｋが位相ゾーン板の中心
軸からその外周へ行くにつれて交互に奇数と偶数とにな
り、ｋの値に応じて奇数番になったり、偶数番になった
りする。

本発明においては、奇数半周期ゾーンの深さは、偶数半
周期ゾーンの深さの約半分であり、偶数ゾーンの半径が
ｒｈ（この場合でのｋは偶数）だとすると、奇数半周期
ゾーンと偶数半周期ゾーンとの各界面は、非連続なステ
ップを伴わない連続した輪郭を呈する。

本発明は、上記したように、位相ゾーン板を使用する多
焦点光学装置を提供するもので、該位相ゾーン板肉はＦ
なるゾーン間隔とブレーズ・ファセットを備えている。

上記位相ゾーン板は、環状で放射方向に相互に配列され
ると共に中心軸線回りに互いに円筒状に配置されている
。好適な実施例では、互いに十分に異なる交互のゾーン
を備え、入射光は上記位相ゾーン板を通って透過し、上
記位相ゾーン板の中心軸線から延長する中心軸線上に形
成される複数の焦点へ収束される。光の強さは、少なく
とも２つの焦点においてイメージ（像）が見えるための
に十分であることが好ましい。

本発明は、位相ゾーン板の中心軸線に沿う一以上の焦点
において有用なイメージを得るために必要な最小限の大
きさのゾーンとなるような、特定のゾーンを用いている
。可能な限り小さい全周期ゾーンが２つの異なる半周期
ゾーンを備えていることが、本発明の特徴であり、この
特徴により有効な多焦点効果を十分に達成することがで
きる。

しかしながら、本発明は、本発明に係わる所望の設計の
位相ゾーン板の１つの全周期ゾーンあるいはそれ以上の
使用も包含しているものである。

本発明の好ましい点は、多焦点位相ゾーン板を達成する
ためにコーヘン設計型のレンズを使用していることであ
り、眼の瞳孔の開の程度、即ち、瞳径が最小成いは小さ
い状態で使用する場合に、２又はそれ以上のイメージに
おいて光の強さを有用なものとなるように機能する。好
適な実施例では、本発明は二焦点レンズに使用され、該
二焦点レンズでは、該レンズを通過する入射光の内、少
なくとも２０％が０次数へ透過し、少なくとも入射光の
２０％が１次数へ透過する。

実施例 以下、本発明を更に詳細に説明するために、図面を参照
とする。

第１図はコンタクトレンズの正面図であり、眼内レンズ
（ＩＯＬ）を現しているということも出来、コーヘン設
計型のレンズに取り囲まれたに間隔のブレーズ・ファセ
ットを備えている。第１図に示すレンズは、ゾーンｒｌ
からゾーンｒＩ８までの１６個のゾーンを備えている。

奇数ゾーンはｒいｒ３）ｒｓｓ　ｒ７１１ｒｓｌｌｒ目
、ｒ１３及びｒ＋ｓである。残りのゾーンが偶数ゾーン
である。上記のことより、実質的にｋに比例して隔てら
れる位相ゾーン板肉の最小の夫々のファセットの繰り返
しシーケンズが、繰り返し偶数ゾーン及び奇数ゾーンの
組合わせからなれば、各ゾーンを半周期ゾーンとしても
良い。

第１図において、夫々の奇数ゾーンは破線で示される一
方、偶数ゾーンは実線で示されている。

上記のように各ゾーンを特徴付けるのは、奇数ゾーンは
、隣接する偶数ゾーンが一部である全周期ゾーンの連続
する輪郭内で区別されるためである。

第２図は第１図の線２−２に沿った断面図であり、第１
図の行間隔を有するレンズの位相ゾーン板を示している
。しかしながら、この位相ゾーン板のパラボラ状輪郭と
エシェレット格子の大きさは、エシェレット格子の光路
長（深さ）えとなる輪郭形状が、多焦点効果を提供しな
いため、コーヘン設計型のレンズには適合しない。本実
施例では（本発明では限定されない。）、エシェレット
の光路長（深さ）をλ／（η゛−η）としており、ここ
でλはレンズの設計波長であり、好適には黄色光で、η
°及びηについては上記した通りである。

上記のように特定された輪郭の組合では、レンズは入射
光を１次数の焦点にのみ透過するため、奇数及び偶数ゾ
ーンは同じである。この場合、上記奇数及び偶数ゾーン
は、入射光を発散するというそれらの機能において、正
確に同様に作用する。

このことは、奇数ゾーンと偶数ゾーンは同じであり、両
者とも光を他方と異なる焦点に導かないことを示唆して
いる。

第３図は他のパラボラ状輪郭の第１図の２−２線に沿っ
た断面図であり、第１図に示すレンズの設計に含まれる
位相ゾーン板を示し、従って、該位相ゾーン板は第１図
のＲ間隔を有している。

本実施例では、該第３図に示すパラボラ状輪郭及び位相
ゾーン板のエシェレット格子の大きさでは、エシェレッ
ト格子の光経長（深さ）がλ／２（ηη）となり多焦点
効果を生じるため、コーヘン設計型のレンズに適合する
。本実施例では、夫々の奇数及び偶数ゾーンの角度は十
分に異なり、奇数及び偶数ゾーンは夫々多焦点効果を有
するようにしている。この場合、奇数ゾーンは一つの焦
点に光を指向する機能を有し、偶数ゾーンは他の焦点に
光を指向する機能があり、両者共に両方の焦点へ光を導
く機能がある。これに関しては、以下に更に詳細に説明
する。

これらの位相ゾーン板の相対的な大きさを幾らか見通ず
ために、第２図のレンズの一つの全周期ゾーンの相対的
な大きさを第４図に図示している。

第４図は奇数ゾーンｒｌと偶数ゾーンｒ、からなる第１
の全周期ゾーンの断面図である。該第４図より、エシェ
レット格子の深さは非常に小さく、また、該エシェレッ
ト格子の輪郭は除々に傾斜していることがわかる。第４
図の描写はコンピュータが創成し７たものであり、該コ
ンピュータのプログラムでは、エシェレット格子の輪郭
を正確に、かつ傾斜を中断することなく描くことができ
ないことを反映している。

第５図は、平レンズＩＯに配置された第２図のエシェレ
ット格子を有する位相ゾーン板の断面図を示しており、
夫々のエシェレット格子の光路長はλ／（η′−η）で
ある（該平レンズの深さは位相ゾーン板の深さと等しい
。）。該第５図は、位相ゾーン板から発出する光線１２
が１次数の焦点（「Ｉ）に透過され、０次数の焦点（ｒ
ｏ）に光線（１４）が全く透過されない様子を示してい
る。このことは、ブレーズの深さがλ／（η゛−η）で
ある時、従来のパラボラ状輪郭を用いる位相ゾーン板で
は−の焦点であることを示している。

第６図はエシエレットの深さをλ／２（η°−η）とし
た時の効果を示している。該第６図において、平レンズ
２０に配置された位相ゾーン板２６は第５図において用
いられている位相ゾーン板と同様の輪郭を示すが、上記
第３図において述べた記述に基づいて設計されている。

該第６図は、レンズを透過する光線がスプリット（ｓｐ
ｌｉｔ）シ光線２２を１次数の焦点（ｒｌ）へ指向し、
光線２４を０次数の焦点（ｒ、）指向することを示して
いる。このスプリットの本質を後述する。

第７図は夫々第１図の位相ゾーン板の間隔を有する第２
図、第３図及び米国特許４，２１０，３９１号に係る位
相ゾーン板の断面を積み重ねて示した断面図である。該
第７図の基本的な役割は、第２図の位相ゾーン板の輪郭
を第３図の輪郭及び米国特許４，２１０，３９１号の位
相ゾーン板の輪郭と比較することである。パラボラ状の
輪郭曲線３０で示される輪郭は第２図の位相ゾーン板の
輪郭であり、パラボラ状の輪郭曲線３２で示される輪郭
は第３図に示す位相ゾーン板の輪郭である。

また、パラボラ状の輪郭曲線３４は第７図のコーヘンの
米国特許４，２１０，３９１号に基づく輪郭を示してい
る。夫々の位相ゾーン板は奇数及び偶数ゾーンを備え、
夫々のゾーンは半周期ゾーンである。エシェレット格子
の輪郭の２つの光路長（深さ）λ／（η°−η）とλ／
２（η゛−η）との間において変化する。この第７図は
、第３図に図示した多焦点に光線を透過する機能を有す
るコーヘン設計型のレンズの断面の輪郭、及び、該第７
図に図示したコーヘンの米国特許４，２１０，３９１号
の好適な実施例が有する断面の輪郭を、光を多焦点へ透
過する特徴を具備する第２図のレンズの断面の輪郭と比
較している。

第７図では、エシェレット格子の輪郭が、ｒ＋ｄｄ（奇
数ゾーンの半径）或いは奇数ゾーンの境界に沿って、該
エシェレット格子のステップの深さのｌ／２の深さで、
切取られることが示されている。そのため、輪郭曲線３
０は深さλ／２（η°−η）を境界とする夫々のｒ。ｃ
ｉａｌの半径に沿って切取られ、輪郭曲線３２は深さλ
／４（η°−η）を境界とする夫々ｒ−の半径に沿って
切取られ、輪郭曲線３４はλ／２（η　−η）とλ／４
（η゛−η）の中間の深さを境界とするｒ　の半径に沿
って切取られている。

輪郭曲線３４で示される輪郭は、コーヘンの米国特許４
，２１０，３９１号の第７図に示されたレンズの輪郭に
基づくものであり、該第７図によれば、設計パラメータ
は該特許における円柱（コラム）３、線（ライン）２０
．２１である。上記のレンズの形状と第３図に示す輪郭
との間の基本的な相違は、輪郭曲線３２では奇数ゾーン
の境界を円滑に通過するのに対して、輪郭曲線３４によ
り形成される輪郭の場合、奇数ゾーンの境界には可視的
な境界が存在することである。

第２図、第３図及び第７図における位相ゾーン板の全周
期ゾーンに対する縮尺では、エシェレット格子が実際に
有するパラボラ状形状を可視化するのは困難としている
。これに対して、第４図では、奇数ゾーンを形成するス
テップの高さに対する該奇数ゾーンの幅の関係を容易に
理解できるようにしている。

第８図はパラボラ形状の深さを、−波長の深さから２分
の１波長の深さに減少させた場合の結果を示している。

該第８図は第１図に示す輪郭により形成される位相ゾー
ン板全体を示す断面図である。この場合、位相ゾーン板
は第６図に示す位相ゾーン板と同じであり、第３図にお
いて示した輪郭を有している。該第３図は、位相ゾーン
板の回折特性による波効果（ｗａｖｅ　　ｅｆｒｅｃｔ
）と、２つの焦点における光学的なイメージを向上させ
るための該位相ゾーン板の指向機能を示している。位相
ゾーン板の表面から透過する光線凍は、該位相ゾーン板
により、２つの基本的な焦点、即ち、該位相ゾーン板に
近いほうの１次数焦点と該位相ゾーン板から離れている
０次数の焦点に指向される。

第５図において指摘したように、もし第８図においてエ
シェレット格子の深さがλ／（η゛−η）であるならば
、一つの設計波長の深さでは、該波長の全ての入射光は
１次数の焦点に導かれる。奇数及び偶数ゾーンの傾斜の
シフトにより、光線は位相がシフトすると共に、該位相
ゾーン板により一つ或いはそれ以上の他の焦点に指向さ
れる。第８図の場合、上記他の焦点は０次数の焦点であ
る。

第９図は０次数及び１次数の焦点で観察される光の強さ
と、上記した図に示したパラボラ状形状を有するエシェ
レット格子の深さとの相関関係を示している。該第９図
は、エシェレット格子の深さが設計波長の２分の１に減
少してλ／　Ｘ　（ｙｙη）となると（ここで、Ｘは２
より大きい）となると、より多くの入射光が０次数の焦
点に導かれる。

一方、該深さが０に近付くにつれて、０次数の焦点の光
線の強さが増加すると共に、多焦点特性が失われる。即
ち、少なくとも２つの焦点において有用なイメージを得
るために十分な強さの光が導かれないため、実際に多焦
点レンズとすることが不可能となる。同様の光の強さの
減少が、エシェレット格子の厚さが増加する場合にも観
察できる。

エシェレット格子の厚さが増大するにつれて、０次数の
焦点に導かれる光の強さの総量は比例的に増大する。エ
シェレットの深さがλ／（η′−η）となると、より多
くの光が１次の焦点の近辺に導かれ、多焦点の特性が失
われる。即ち、少なくとも２つの焦点において有用なイ
メージを得るために十分な強さの光が導かれないため、
実際に多焦点レンズとすることが不可能となる。

第１Ｏ図は特定の形状関係を有するアパーチャ位相ゾー
ン板を示す断面図であり、該位相ゾーン板はコーヘン設
計型の多焦点レンズの機能を備えている。この場合、奇
数ゾーンの深さはλ／４（η′〜η）であり、偶数ゾー
ンの深さはλ／２（η゛−η）である。該輪郭では、第
３図の位相ゾーン板の輪郭を、正確に半周期移動してシ
フトしている。

上記した第３図の移動により、第１０図のレンズは、白
内障を防止するために小さい瞳径に適合する非常に小さ
いアパーチャで所望の機能を得たいと言う患者の要望を
満足することができる。

上記のように奇数及び偶数ゾーンの移動により、二焦点
のコンタクトレンズや眼内レンズ（ｔｏＬ）等の光学装
置を提供することが可能となり、それらは、白内障患者
の場合の小さい瞳径に適応するような一つの小さい光学
ゾーン内に有用な数の非連続部を備えることにより、瞳
径の減少の問題を解決出来る。

第３図及び第６図の位相ゾーン板は、０次数及び１次数
の焦点の光の強さを等しくするように設計している。上
記の焦点における光の強さは、第１２図及び第１３図の
明るさのグラフに示すベクトルの大きさの２乗により表
される。回転（位相のシフト）がどのベクトルに適合さ
れても、光の強さに効果を与えることがない。しかしな
がら、上記のようなベクトルの回転は、位相ゾーン板の
輪郭のシフト（又は移動）として認識される。

上記の特徴は、下記の図面において更に詳細に説明され
る。第！１図Ａにおいて、第１Ｏ図のアパーチャ位相ゾ
ーン板の全周期ゾーンを形成するために結合する半径が
共通の充てん（ｆｉｌｌ）パターンにより示されている
。一方、第１１図Ｂでは、第１Ｏ図のアパーチャ位相ゾ
ーン板の共通の充てんパターンにより奇数及び偶数ゾー
ンを図示している。

第１２図は、入射光を２つの全周期ゾーンに制限するア
パーチャ・ストップ（アパーチャ径）と協働する第３図
及び第６図のレンズと、該レンズに対応する二つの焦点
の明るさが等しいことを示す、焦点の次数に対する明る
さのグラフを示している。

上記焦点における光線の強さの通常のベクトル表現は、
上記グラフ中、夫々の焦点において与えられている。

第１２図のレンズのアパーチャ・ストップで、１つの全
周期ゾーンに入射光が限定されると、第１３図に示すよ
うに、ピンホール効果が位相ゾーン板の二煎点効果を上
回ってしまうため、大きい深さの部分が生じる。該第１
３図では、第２の全周期ゾーンを除去しているため、２
分の１次数のイメージにおいて、キャンセルするベクト
ルが除去されている。第１３図の破線２２に示すような
光線の強さのエンベロープ（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）は、一
つのピンホール・レンズと同様となる。

第１４図は、第１Ｏ図の輪郭に設計されたレンズの断面
図である。第１４図は、入射光を２つの全周期ゾーンに
限定するアパーチャ・ストップと協働するレンズと、該
レンズに対応する、２つの焦点が等しい明るさを有する
ことを示す、焦点次数に対する明るさのグラフを示して
いる。該グラフ中には、上記焦点における光の強さの通
常のベクトル表現が、夫々の焦点において与えられてい
る。第１４図のベクトル表示は第１２図のベクトル表示
に対して回転している。

第１５図は、入射光を１つの全周期ゾーンに限定するア
パーチャ・ストップを備えた、第１０図の位相ゾーン板
の光の分散及び光の強さを示している。該第１５図は、
入射光線を１つの全周期ゾーンに限定するアパーチャ・
ストップと協働するレンズと、該レンズに対応する、２
つの焦点が等しい明るさを有することを示す、焦点の次
数に対する明るさ示している。また、第１５図は、入射
光を１つの全周期ゾーンに限定するように、アパーチャ
・ストップの直径を小さくしても、位相ゾーン板の二煎
点効果が明らかであることを示している。第２の全周期
ゾーンは除去れさているにもかかわらず、２分の１次数
のイメージにおける光線の干渉は完全に無くなっている
。そのため、光の強さのエンベロープは二煎点の位相ゾ
ーン・レンズのそれと同じである。

第１６図は、１９８８隼７月２０日に出願された同時継
続出願番号２２２，０００の記載された位相ゾーン板の
輪郭を示す断面図である。該位相ゾーン板の輪郭は、下
記の式により与えられる。

ｄ’＝Ｄｏ　・（１／２　＋　１／２　　・ｃｏｓ　（
π・ｒ’／　ｂ”））等エネルギー分光のためのファセ
ットの深さは以下の式で与えられる。

Ｄ、＝０．４０５−λ／（７７−１） 分光の強さは以下の式で与えられる。

［ｌＩ　＊＝Ｊｏ’（０，４０５・７ｒ）−０，４３第
１６図は、光路長（深さ）が波長の深さの０．４倍であ
るカッティング・ブレーズ面により形成された多焦点ゾ
ーン板の輪郭を示し、該ブレーズ面はコサインカーブ状
のステップ輪郭を有している。第１７図は、第１６図に
示された位相ゾーン板の特徴的な輪郭を使用した本発明
に係るアパーチャ・レンズの断面図である。第１７図は
、第１６図の位相ゾーン板の輪郭を正確に半周期移動、
即ち、ソフトしてなる位相ゾーン板の輪郭を示している
。この形状では、入射光が一つの全周期ゾーンに限定さ
れるように、アパーチャ・ストップの直径が減少されて
も、位相ゾーン板の二煎点特性は失われることがない。

尚、図面において、第１図はコーヘン設計型のレンズに
よって囲まれに間隔のブレーズ面を有する、コンタクト
レンズ或いはＩＯＬとして用いられる光学装置の正面図
である。後述する第５．６．８図を除く全ての断面図は
第１図の２−２線に沿ったもので、第１図に示す位相ゾ
ーン板を有するレンズ装置のｌ／４の部分を示している
。第２図は第１図に示す位相ゾーン板を含む１／４部分
の断面図である。該図面は第１図の２−２線に沿って切
断したパラボラ状輪郭を示し、第１図の間隔ｋを有する
レンズの位相ゾーン板を示し、ニッシュレット格子の深
さがλである輪郭が多焦点効果を備えないコーヘン設計
型のレンズと相違している。

第３図は第１図の２−２線に沿った他のパラボラ状輪郭
の１／４の部分の断面図であり、第１図の間隔ドのレン
ズである位相ゾーン板を示している。

上記位相ゾーン板のパラボラ状輪郭及びニッシュレット
格子のサイズは、該ニッシュレット格子の深さがλ／２
（η°−η）となる形状であって、多焦点効果を有する
ため、コーヘン設計型のレンズに適応する。第４図は半
径ｒ！の全周期により規定される第２図の第１ニツシユ
レツトの輪郭と、幅に対して高さの大きさの比例的関係
を示す断面図である。第５図は位相ゾーン板の一焦点特
性を示す第２図の位相ゾーン板の断面から発出した光の
透過を示す図である。第６図はクーヘン設計型レンズで
ある第３図の位相ゾーン板の断面から発出する光の透過
を示す。光は０次数の焦点へは透過しない。第７図は、
第３図に示す多焦点に光を透過する特性を有するクーヘ
ン設計型レンズの断面の輪郭と、単一焦点の特徴を供給
する第２図のレンズの断面輪郭に対するコーヘンの米国
特許４゜２１０．３９１号の第７図の特性を有するレン
ズの一例の断面の輪郭を示している。第８図は第１図の
輪郭により構成された全位相ゾーン板の断面図である。

この場合、位相ゾーン板は第６図の位相ゾーン板である
。該第８図は、位相ゾーン板の回折特性により奪われる
波効果と、２つの焦点での光学的イメージを発展させる
位相ゾーン板の指向性の許容度を示している。第９図は
０次数及び１次数において観察される光の強さと、上記
第２図及び第３図に図示されたパラボラ状輪郭を有する
ニッシュレット格子のニッシュレット格子深さとの相互
関係を示すグラフ。第１０図は本発明に係る小さいアパ
ーチャ位相ゾーン板の断面図であり、第１１図Ａは第１
０図の小さいアパーチャ位相ゾーン板の全周期を形成す
るように結合する半径を、共通の充てんパターンにより
示している。

第１１図Ｂは、第１０図の小さいア゛パーチャの位相ゾ
ーン板の共通の充てんパターンにより偶数及び奇数ゾー
ンを示している。第１２図は２つの全周期ゾーンに入射
光を限定するアパーチャ・ストップを備えた時の、第６
図の位相ゾーン板の光の強さの分布を示している。第１
３図は１つの全周期ゾーンに入射光を限定するアパーチ
ャ・ストップを備えた時の、第６図の位相ゾーン板の光
の強さの分布を示している。第１４図は２つの全周期ゾ
ーンに入射光を限定するアパーチャ・ストップを備えた
時の、第１０図の位相ゾーン板の光の強さの分散を示し
ている。第１５図は１つの全周期ゾーンに入射光を限定
するアパーチャ・ストップを備えた時の、第１０図の位
相ゾーン板の光線の強さの分布を示している。第１６図
は１９８８年７月２０日に出願番号２２２，０００の同
時係属出願に記載された位相ゾーン板の輪郭の断面図で
あり、第１７図は第１６図に図示された位相ゾーン板の
輪郭の特性を用いた本発明のアパーチャ・レンズの断面
図である。

然果 上記のように、位相ゾーン板を半周期ゾーンだけ遷移す
ることにより、アパーチャ・ストップが１つの全周期ゾ
ーンに狭められても二煎点の特性は維持される。この事
は、上記のような情況下において、イメージの画質が２
或いはそれ以上の全周期ゾーンと同程度であるというこ
とを意味するものではない。本発明に係るレンズが特徴
を発揮する条件は、従来の位相ゾーン板では、患者はア
パーチャ径が小さくなると、二煎点効果を得ることがで
きないため、従来の位相ゾーン板の設計では得ることが
できないものである。即ち、本発明に係る位相ゾーン板
は、従来の位相ゾーン板では得られなかった、該位相ゾ
ーン板かはめ込まれて協働するキャリア・レンズに関係
なく、アパーチャ（アパーチャ径）が小さい場合にも二
煎点特性を発揮するという効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はコーヘン設計型のレンズによって囲ま挿間隔の
ブレーズ面を有するコンタクトレンズ或いはＩＯＬとし
て用いられる光学装置の正面図、第２図は第１図に示す
位相ゾーン板を含むｌ／４部分の断面図、第３図は第１
図の２−２線に沿った他のパラボラ状輪郭のｌ／４の部
分の断面図、第４図は半径ｒ、の全周期により規定され
る第２図の第１ニツシユレツトの輪郭と幅に対して高さ
の大きさの比例的関係を示す断面図、第５図は位相ゾー
ン板の一焦点特性を示す第２図の位相ゾーン板の断面か
ら発出した光の透過を示す図面、第６図はクーヘン設計
型レンズである第３図の位相ゾーン板の断面から発出す
る光の透過を示す図面、第７図は第３図に示すクーヘン
設計型レンズの断面の輪郭と一焦点の特徴を有する第２
図のレンズの断面輪郭に対するコーヘンの米国特許４．
２１０，３９１号の第７図の特性を有するレンズの一例
の断面の輪郭を示す図面、第８図は第１図の輪郭により
構成された全位相ゾーン板の断面図、第９図は０次数及
び１次数において観察される光の強さと上記第２図及び
第３図に図示されたパラボラ状輪郭を有するニッシュレ
ット格子のニッシュレット格子深さとの相互関係を示す
線図、第１０図は本発明に係る小さいアパーチャ位相ゾ
ーン板の断面図、第１１図Ａは第１０図の小さいアパー
チャ位相ゾーン板の全周期を形成するように結合する半
径を共通の充てんパターンにより示している図面、第１
Ｉ図Ｂは第１０図の小さいアパーチャの位相ゾーン板の
共通の充てんパターンにより偶数及び奇数ゾーンを示す
図面、第１２図は２つの全周期ゾーンに入射光を限定す
るアパーチャ・ストップを備えた時の第６図の位相ゾー
ン板の光の強さの分布を示す図面、第１３図は１つの全
周期ゾーンに入射光を限定するアパーチャ・ストップを
備えた時の第６図の位相ゾーン板の光の強さの分布を示
す図面、第１４図は２つの全周期ゾーンに入射光を限定
するアパーチャ・ストップを備えた時の第１０図の位相
ゾーン板の光の強さの分散を示しす図面、第１５図は１
つの全周期ゾーンに入射光を限定するアパーチャ・スト
ップを備えた時の第１Ｏ図の位相ゾーン板の光線の強さ
の分布を示す図面、第１６図は米国特許出願番号２２２
．０００の同時係属出願に記載された位相ゾーン板の輪
郭の断面図、第１７図は第１６図に図示された位相ゾー
ン板の輪郭の特性を用いた本発明のアパーチャ・レンズ
の断面図である。 １０．２０・・・平レンズ、 ｒ　・・・半周期ゾーン、 ３０．３２．３４・・・輪郭曲線。 平成 ２年 ８月１６［Ｉ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、小さい瞳径に合わせた位相ゾーン板を利用したコー
   ヘン設計型の光学装置。 ２、上記光学装置は、√ｋ間隔で交互に階段状に繰り返
   されるパターンの最小数を用いて、少なくとも二つの焦
   点に光を分光するブレーズ面を有する環状同心ゾーンを
   備えた位相ゾーン板を含む光学素子からなる請求項１記
   載の光学装置。 ３、上記光学素子が、ゾーン間の間隔が√ｋに実質的に
   比例し、奇数ゾーンが、偶数面の光路長（深さ）の半分
   の光路長（深さ）を有するブレーズ面を備え、かつ、奇
   数ゾーンの半径において非連続ジャンプを有する輪郭を
   呈している環状同心ゾーンを備えた位相ゾーン板からな
   る回折型二焦点光学素子である請求項２記載の光学装置
   。 ４、１つの全周期ゾーンの径にアパーチャ径が制限され
   たとしても、光を二つの焦点に分光するようになってい
   る請求項３記載の光学装置。 ５、上記光学素子が、多焦点型位相ゾーン板で構成され
   ており、第１の全周期ゾーンと同一程度に小さいアパー
   チャ径を用いた時に、二つ或いはそれ以上の焦点を有す
   るものであり、位相ゾーン板には、下記の式 ｒ＿ｋ＝√（定数）×ｋ （但し、ｋはゾーンであって、コーヘンによるレンズの
   設計に従って、ゾーンが位相ゾーン板の中心軸からその
   外周に展開するにつれて、１、２、３、・・・・に等し
   く、また、ｒ＿ｋは、半周期ゾーンの半径であって、こ
   のゾーンとゾーン半径とは、ｋが位相ゾーン板の中心軸
   からその外周へ行くにつれて交互に奇数と偶数とになる
   ので、ｋの値に応じて奇数番あるいは偶数番になる。） で表される間隔だけ、互いに隔離された複数の環状同心
   ゾーンからなるブレーズ面を備えており、上記奇数半周
   期ゾーンの深さは、偶数半周期ゾーンの深さの約半分で
   あり、偶数ゾーンの半径がｒ＿ｋ（この場合でのｋは偶
   数）の時、奇数半周期ゾーンと偶数半周期ゾーンとの各
   界面は、非連続のステップを伴わない連続した輪郭を呈
   するように構成されている請求項４記載の光学装置。 ６、下記の式で与えられる繰り返し輪郭を、位相ゾーン
   板に備えてなる請求項１記載の光学装置。 ｄ＝Ｄ＿０・｛１／２＋１／２・ｃｏｓ（π・ｒ＾２／
   ｂ＾２）｝但し、Ｄ＿０＝０．４０５・λ／（η−１）
   。 ７、位相ゾーン板がパラボラ状繰り返し輪郭を有してい
   る請求項１記載の光学装置。 ８、上記光学装置が眼内用レンズである請求項１乃至７
   のいずれかに記載の光学装置。 ９、上記光学装置がコンタクトレンズである請求項１乃
   至７のいずれかに記載の光学装置。